CN112253307A - 燃烧室瞬传导、节流中冷的中冷方法及绝热内燃机 - Google Patents

Abstract

燃烧室瞬传导、节流中冷的中冷方法及绝热内燃机，属于机械电子领域。在对混合气体的进入气缸燃烧前的中间过程的冷却方法：采取了燃烧室瞬传导或节流中冷机构或同时采用燃烧室瞬传导或节流中冷机构，来对气缸燃烧室的混合气体降温；燃烧室瞬传导的冷却方法是将在燃烧室顶部的气缸盖上加装由热传导系数低的材料制成的活动绝热板，当活塞循环进入压缩冲程时，通过正时系统将活动绝热板被升起而暴露气缸盖的所互相遮挡的低温表面，活塞下移至距离下止点45度的提前角度的下止点附近，进气门就已经完全暴露，而进行节流吸气，混合气体瞬间节流进入气缸内，达到中冷降温的目的，但消耗一定的功率；可以广泛应用于汽油及柴油机中。

Description

燃烧室瞬传导、节流中冷的中冷方法及绝热内燃机

[技术领域]

本发明属于机械、电子技术领域，确切的讲是制作内燃机的整体的机械电 子的领域。

[背景技术]

从1974年以来，在全世界的发动机行业特别是柴油机行业中绝热技术正在 蓬勃兴起，采用绝热技术以提高发动机的性能指标的原理也是非常简单的。根据 卡诺循环的热效率可知，在高温热源T1和低温热源T3之间工作的热机，提高 T1或降低T2均可以提高卡诺循坏的热效率。对于柴油机(其它类型的内燃机也 一样)来讲，这就意味着燃烧室内的温度(高温热源)越高，其热效率相应就越高。 在普通的柴油机中，由于燃烧系统的金属材料不可能承受太高的温度，只好采用 冷却措施进行降温，结果降低的高温热源的温度，使发动机的热效率降低。如果 在燃烧系统中采用既耐高温又隔热的材料如陶瓷等取代金属材料，减少柴油机高 温热源的热损失和热传导，则可以提高柴油机高温热源的工作温度，因而就能提 高柴油机的循环热效率，从节能的观点来讲，能改善发动机的燃油经济性。采用 隔热材料形成低传热，低热损失的发动机即绝热发动机，由于实际上不可能实现 “理想绝热”，因此也有“隔热”或“低传热”发动机的说法。另外，在实际应 用中，大都采用陶瓷发动机，也有人干脆把这种发动机称为陶瓷发动机，但这并 不意味着整个发动机的所有零部件全是用陶瓷材料制成的。

柴油机采用绝热以后，使得发动机的热损失得到重新分布，即排气热量大大 增加，特别是限制了壁部热量传递，而使燃烧室壁部的传热显著减少，从而大大 地减少了冷却循环所带走的热量。在这种情况下，就可以减少冷却循环系统的尺 寸和重量，减小水泵功率和风扇尺寸，甚至可以取消冷却系统，这是绝热柴油机 的一大优点。采用绝热后，使燃烧室壁面温度迅速提高，从而改善了冷起动条件， 降低了碳烟和碳氢化合物的排放量，同时也缩短了着火延迟并降低了噪音，这是 绝热柴油机的又一大优点。

但是，令人失望的是，并不像所预期的那样，绝热对发动机热效率的影响并 不大，分析表明绝热给燃油消耗率仅带夹很小的影响。非增压柴油机采用绝热后， 其燃油消耗率比传统的水冷式发动机没多大改善，而且随着发动机绝热程度的提 高，输出功率则急剧下降。中冷增压发动机采用绝热后，与不绝热的发动机相比， 功率虽有所提高，但燃油消耗率却改善甚少。上述现象的根本原因在于采取绝热 措施后节省下来的能量并不能直接转化为活塞动力。对于这种现象，不少人用进 气被加热而容积效率降低来解释。然而对传入活塞顶面热流量的测量结果表明： 与铝合金相比，陶瓷材料在膨胀初期放热大，这只能认为是由于传热率的增大而 导致的结果。同样还测量了排气门表面的热流量，得到的结论是：传入高温固体 表面的热流量不能用常规的办法来预测。即使是陶瓷发动机，想利用提高表面温 度把冷却热直接转换成活塞动力来输出都是不可能的。

因此，通过底部循环回收绝热所节省下来的能量被认为是提高绝热发动机的 功率和燃油经济性的一种最终手段。关于排气热量的回收有以下几点：燃气从 气缸排出直至涡轮前，最大可损失50％的有效能量，所以排气系统的绝热对于 排气能量的回收是很重要的。涡轮复合方法用于一般发动机可提高燃油经济性高 达10％，而用于绝热发动机则可达13％左右。兰肯底循环用于绝热发动机可使 热效率高达63％，功率增加22％左右。

绝热涡轮增压柴油机排气中的多余热能还可采用所谓的兰肯底循环 (Rankinebettom cycle)予以回收。即通过余热锅炉产生蒸汽，驱动蒸汽涡轮， 以回收更多的排气余热。这种发动机的燃油消耗率可达166g/kW·h，兰肯循环是 由两个等压过程(加热和冷却)及两个绝热过程(膨胀和压缩)组成的最简单的蒸汽 动力循环，所用工质一般为水蒸气，这种循环可使柴油机的功率和燃油经济性得 到大幅度的提高。凡是不受体积和重量限制的场合，如发电、船船和机车等附加 兰肯底循环，均能收到明显的经济效益。法国280CV型增压中冷柴油机采用绝 热涡轮复合装置和绝热兰肯循环时热能利用率进行了比较，可以看出：如果发动 机燃烧室壁面需热损失减少30％(包括机油和中冷的热损失)，则发动机总的热损 失相应地可减少15～20％。如果用涡轮复合装置来回收排气能量，可使燃油消 耗率下降约8％；而采用兰肯循环来回收排气能量，则可使燃油消耗率下降约 15％。如果燃烧室壁面热损失减少60％，则发动机总的热损失相应地减少40～ 50％，已经证明，在这种情况下，采用兰肯循环可降低燃油消耗率20％。

但是，实验测量结果表明，绝热对发动机的自身循环的效率收益仅仅为 1.0％。通过循环模拟计算，对绝热发动机热效益收益不大所做出的解释是：为 了减少冷却损失，即使把燃烧室壁面换成传热率低的材料，但由于壁的热容量大， 导致壁面温度上升而高位循环；其结果并不能太大的降低绝热缸壁的吸热数量， 热量仍然缓存在高温缸壁内，排气冲程时又释放出去了，其结果是：缸压的增 加不明显，但排出的热量大大的增加了；造成缸壁只能“隔热”而不能“绝热”。 另外；在燃挠室内壁温度上升情况下，进气、压缩行程中的气体被更热的壁面 加热，导致压缩功增大。由于膨胀功的增加部分是与此相反的，所以热效率几 乎没有提高，其结果是排气损失热量明显增大。

由如上的讨论可知到目前为止，尽管国内外不少人都正在探索柴油机绝热这 一复杂的问题，但据目前情况来看，绝热柴油机真正能否付诸实践仍需一段较长 时间的验证，这就需要通过内燃机工作者以及有关人士的不懈努力来完成这一任 务。目前，绝热发动机的研制设计工作搞得较为活跃的除了美国的寇明斯等公司 外，日本的一些公司也正在积极地从事绝热发动机方面的有关研究工作，并已成 功地制造出了陶瓷活塞、气门导管，甚至还加工出了陶瓷镀层的凸轮轴等。国内 也曾一度打算进行此方面的研究工作，但由于种种原因，该项计划进展不快。据 估计，人们正在拭目以持，盼望一场发动机新技术革命的到来。

对于4行程汽油机的绝热研究，相比柴油机来说，国内外学者多持有否定态 度：因为压缩循环的末期会导致更高的温度，易于导致汽油的爆震的突发燃烧， 这也是汽油机无法承受超过15:1的压缩比的主要原因。

为抑制4汽油机的爆震问题，目前普遍采用“中冷”技术：中冷技术就是： 在对混合气体的进入气缸燃烧前的中间过程的冷却技术：中冷绝热内燃机通过在 汽缸上的缸盖内设置燃烧室，在缸盖的底面设置通气口和压缩空气出口，并分别 经所设的控制阀与中间冷却器相连通，在压缩过程后期介入了中间冷却过程，拉 低了压缩过程终点时的温度和压力，实现了内燃机的卡诺循环，让发动机效率得 到大幅度提高。由于进入燃烧室的压缩空气是被冷却了的低温工质，对燃烧室、 缸盖底面和活塞顶面设置隔热层进行绝热时，并不会恶化燃烧室内的油气雾化， 又进一步减少了发动机的散热损失。在进行中间冷却过程后，由于降低了压缩终 点时空气的温度和压力、也相应减少了活塞所消耗的压缩功，有利于提高机械效 率。在普通柴油机进行中冷涡轮增压时，增压空气温度经中冷器每降低10℃， 柴油机的效率提高约0.5％。中冷绝热内燃机采用16:1的压缩比后，中冷后的 压缩空气温度降幅可达到550℃，中间冷却所具有的效率提高潜力便可达到27％。 虽然燃烧室内的高温燃气在流经通气口时有一定的冷却损失，但中冷降低了最高 燃烧温度、会让冷却损失相应减少，而在燃烧室内壁、缸盖底面和活塞顶面所设 置的隔热层又全面降低了冷却散热损失，所以中冷绝热内燃机的热效率仍会大幅 度提高。中冷绝热内燃机的热效率比普通柴油机提高了19％。此效率提高值小于 普通柴油机进行中冷涡轮增压时，增压空气温度经中冷器每降低10℃、柴油机 效率提高约0.5％的比值，这是因为增压中冷也降低了散热损失并让机械效率相 应提高，而对中冷绝热内燃机进行卡诺效率计算时并未考虑减少散热损失及机械 效率增加方面所带来的收益，也没有计入因对燃烧室及汽缸隔热而减少的散热损 失。在综合各项收益之后，因中间冷却而让中冷绝热内燃机的效率提高幅度还会 超过19％。

[发明内容]

目前行业汽油机、柴油机绝热的技术难题：目前还没有合适的方法来处理 绝热下的爆震灾难，绝热就在机理上导致了热力学循环的的任何节点的温度大幅 度增高，“爆震”的物理条件势必势必要求气缸壁的良好的导热性，这与绝热本 身就是一对矛盾。

本发明目的：克服已有技术的不足之处，针对4冲程的汽油机进行本质性 的绝热改造，来大幅度的增加汽油机、柴油机的效率。

本发明特点：结构简单、调整后的热力学循环更为合理。

技术关键为：本绝热技术采用了：燃烧室瞬传导、节流中冷的2种中冷技 术(对混合气体的进入气缸燃烧前的中间过程的冷却技术)。

燃烧室瞬传导、节流中冷的绝热内燃机结构包括：壳体、汽缸、曲轴、连 杆、活塞、空气滤清及喷油组件、润滑系统、冷却系统、正时系统；组件之间 的连接关系：连杆的一端通过活塞销连接着活塞，另一端通过曲柄销连接着曲轴； 正时系统是通过电子同步控制或机械装置将曲轴或活塞的运动位置传输出去，并 控制气门、喷油嘴、活动绝热板的协同运动，而使得内燃机能完成4冲程的循环 过程；其根本特征就在于：未达到混合气体中冷的目的，采取了燃烧室瞬传导机 构或节流中冷机构或同时采用燃烧室瞬传导机构或节流中冷机构；燃烧室瞬传导 机构(的冷却方法)是将在燃烧室顶部的气缸盖上加装活动绝热板(由热传导系 数低的材料制成)，当活塞循环进入压缩冲程时，通过正时系统将活动绝热板被升起而暴露气缸盖的所互相遮挡的低温表面，2个低温表面一起吸收混合气体的 热量，接下来，在火花塞点燃混合气体后，活动绝热板被下降而覆盖气缸盖的表 面，隔绝高温的燃烧气体与气缸盖的表面的热交换，避免了爆震现象；而在活动 绝热板与气缸盖接触的过程中，接触面将在冷却系统的作用下持续降温，为下一 次的升起吸热准备；节流中冷机构(方法)是将进气口开在气缸下部缸壁位置上， 活塞下移至下止点附近(距离下止点45度的提前角度)就已经完全暴露，进行 节流吸气，混合气体瞬间节流进入气缸内，达到中冷降温的目的，但消耗一定的 功率。

正时系统是通过电子同步控制或机械装置将曲轴或活塞的运动位置传输 出去并控制气门、喷油嘴、活动绝热板的协同运动，电子同步控制需要传感器感 知曲轴或活塞的运动位置，然后将位置信号送入电子控制驱动系统，来驱动诸如 电机、电磁铁来完成气门、喷油嘴、活动绝热板的协同运动。而机械装置是通过 包括齿轮、链条、皮带、蜗轮、蜗杆的传动方式进行传动。

进一步：在同一个发动机内可以同时采用燃烧室瞬传导机构和节流中冷机 构；或单一采用燃烧室瞬传导机构或节流中冷机构。

进一步：气缸内壁及气缸盖内壁的绝热层是选择性覆盖；可以直接暴露金 属表面。

进一步：汽油机、尤其柴油机的情形：可以对燃烧室直接使用喷油嘴喷射 油料。

进一步：本发明中的进气门、排气门采用通用的气缸盖上的伞形气门结构 或者是在气缸壁的下部位置加工有缸壁进气口配合排气活塞，或是采用在气缸 盖上或气缸的上部加工排气气缸(11)及缸壁排气口。

本发明的有益效果：可以大大的减少燃油的消耗，增加汽油机的压缩比，将 现有的11的压缩比的极限体高到16—17之间，汽油机的效率提高到接近40％， 柴油机的效率可望接近50％。

[图示说明]

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1燃烧室瞬传导、节流中冷的绝热内燃机结构示意图 图2压缩过程的瞬传导降温防爆震示意图

图3节流吸气的节流中冷过程示意图

图4作功及排气冲程工作示意图

标号说明：

1 活塞

2 活塞销

3 连杆

4 曲柄销

5 曲轴(中心轴、输出轴)

6 正时大齿轮

7 正时小齿轮

8 正时轴

9 正时皮带

10 归位弹簧

11 排气气缸

12 排气活塞

13 排气活塞连杆

14 动滑轮

15 汽缸

16 活动簧片

17 燃烧室

18 气缸顶部

19 水冷腔

20 火花塞

21 导热表面

22 绝热层

23 活动绝热板

24 绝热板支撑柱

25 低温表面

26 壳体

27 电子点火部分

28 位置传感器

29 电气控制组件

30 润滑油泵组件

31 空气滤清及喷油组件

32 液冷循环组件

33 润滑油

34 单向簧片气门局部放大图

35 绝热板覆盖状态局部放大图

36 绝热板脱离状态局部放大图

37 缸壁进气口

38 缸壁排气口

39 循环液冷管

40 凸轮

41 节流进气流

42 翻到后的活动簧片

[实施例证]

如图1所示：

燃烧室瞬传导、节流中冷的绝热内燃机结构包括：壳体(26)支撑着汽缸 (15)、曲轴(5)轴心的转动，电气控制组件(29)、电子点火部分(27)控制 着空气滤清及喷油组件(31)、抽取底壳润滑油(33)的润滑油泵组件(30)、给 水冷腔(19)经由循环液冷管(39)供液的液冷循环组件(32)及接收位置传感 器(28)的指令；与常规技术一样，连杆(3)的一端通过活塞销(2)连接着活 塞(1)，另一端通过曲柄销(4)连接着曲轴(5)；排气活塞(12)约束在在排 气气缸(11)内，归位弹簧(10)的牵引下，通过排气活塞连杆(13)的牵引， 使得往复运动；曲轴(5)与正时轴(8)的同步是靠正时皮带(9)连接正时大 齿轮(6)与正时小齿轮(7)来完成的，排气活塞连杆(13)的端部加装一个 意在减少摩擦的动滑轮(14)来接触定轴凸轮(40)，而驱使排气活塞连杆(13) 带动的排气活塞位移，达到遮蔽加工在气缸壁上的缸壁排气口(38)目的。

缸壁进气口(37)是使用活动簧片(16)作为阀门的，如单向簧片气门局 部放大图(34)所示：在注入气流时活动簧片很容易沿着所画的转轴翻到，如 翻到后的活动簧片(42)所示，但由于硬性阻挡的缘故，气缸内的压力无法向 外侧推到活动簧片。

在气缸壁、气缸顶部的部分区域安装有绝热层(22)，而在气缸顶部(18) 的导热表面(21)上覆盖有由绝热板支撑柱(24)约束的活动绝热板(23)，如 绝热板覆盖状态局部放大图(35)、绝热板脱离状态局部放大图(36)(图2)所 示。

如图2、图3、图4所示：

图2、图3、图4表述了本发明内燃机的整个循环过程：

图2演示了压缩过程的瞬传导降温防爆震过程；按箭头所指的冲程顺序， 当活塞(1)对混合气体进行压缩冲程的过程中，缸壁进气口(37)处于隔离状 态，排气气缸(11)中的排气活塞下以后一直封堵着缸壁排气口(38)，汽缸(15) 内的燃烧室(17)的压力逐渐增加，绝热层(22)的高温表面也不断加热混合气 体；随着活塞的持续上升，不断被压缩的混合气体将进一步升温，此时凸轮(40) 推动动滑轮(14)带动着绝热板支撑柱(24)连带活动绝热板(23)下移，使得 低温表面(25)(未加覆盖的金属或导热陶瓷的表面)暴露在燃烧室内吸取混合 气体的热量，抑制温度的上升；细节参见绝热板覆盖状态局部放大图(35)。

降温的目的是放置在火花塞(20)点燃混合气之前，混合气体的自燃的爆 震现象。

图3演示了节流吸气的节流中冷过程；当完成排气冲程后，曲柄销(4)牵 动连杆，带动活塞由上止点下移，同时与曲轴主轴同轴的正时小齿轮(7)经过 正时皮带(9)带动凸轮(40)抵抗归位弹簧(10)的弹力(行业上称为：正时 系统)，下移排气活塞完全封堵缸壁排气口(38)；随着活塞的下移，封闭的燃烧 室的压力将持续减小，残存气体的内能被释放(温度下降)，(注释：此过程中 活动绝热板的下移也可加速降温)，当活塞下移到接近下止点时，加工在气缸上 的缸壁进气口(37)被暴露在燃烧室中，由于负压的作用，混合气体瞬间节流进 入气缸内，如节流进气流(41)所示，节流必将产生降温，达到中冷降温的目的， 但消耗一定的功率。

图4演示了作功及排气冲程工作过程；当活塞上移至上止点附近时，燃烧 室(17)内的火花塞(20)放电引燃混合气体，高温、高压的气体推动活塞对外 做功，当活塞下移到下止点附近、还没有打开缸壁进气口的位置时，凸轮的同步 转动配合归位弹簧(10)推动滑轮轴使得排气活塞上移至完全打开缸壁排气口 (38)，高压尾气从缸壁排气口排出，气缸瞬间泄压，而活塞继续下移至暴露进 气门，由于活动簧片(16)的单向推动的特点，使得残压的尾气是无法溢出。

需要指出：排气活塞上移运动将推动凸轮主动转动，通过凸轮向曲轴反向 输出功率。

Claims (5)

1.燃烧室瞬传导、节流的中冷方法，所涉及的结构包括：壳体、汽缸、曲轴、连杆、活塞、空气滤清及喷油组件、润滑系统、冷却系统、正时系统；组件之间的连接关系：连杆的一端通过活塞销连接着活塞，另一端通过曲柄销连接着曲轴；正时系统是通过电子同步控制或机械装置将曲轴或活塞的运动位置传输出去，并控制气门、喷油嘴、活动绝热板的协同运动，而使得内燃机能完成4冲程的循环过程；其特征就在于：在对混合气体的进入气缸燃烧前的中间过程的冷却方法：采取了燃烧室瞬传导或节流中冷机构或同时采用燃烧室瞬传导或节流中冷机构，来对气缸燃烧室的混合气体降温；燃烧室瞬传导的冷却方法是将在燃烧室顶部的气缸盖上加装由热传导系数低的材料制成的活动绝热板，当活塞循环进入压缩冲程时，通过正时系统将活动绝热板被升起而暴露气缸盖的所互相遮挡的低温表面，2个低温表面一起吸收混合气体的热量，接下来，在火花塞点燃混合气体后，活动绝热板被下降而覆盖气缸盖的表面，隔绝高温的燃烧气体与气缸盖的表面的热交换，避免了爆震现象；而在活动绝热板与气缸盖接触的过程中，接触面将在冷却系统的作用下持续降温，为下一次的升起吸热准备；节流中冷方法是将进气口开在气缸下部缸壁位置上，活塞下移至距离下止点45度的提前角度的下止点附近，进气门就已经完全暴露，而进行节流吸气，混合气体瞬间节流进入气缸内，达到中冷降温的目的，但消耗一定的功率。

2.使用燃烧室瞬传导、节流的中冷方法的绝热内燃机，结构包括：壳体、汽缸、曲轴、连杆、活塞、空气滤清及喷油组件、润滑系统、冷却系统、正时系统；其特征就在于：气缸结构中采取了燃烧室瞬传导的方法所涉及的活动绝热板与结构；或节流中冷方法所涉及的气缸下部开有排气口；或同时采用燃烧室瞬传导和节流中冷结构，来对气缸燃烧室的混合气体进行中冷降温。

3.根据权利要求1燃烧室瞬传导、节流的中冷方法，其特征在于所述的燃烧室瞬传导、节流的中冷方法，是在同一个发动机内可以同时采用；或单一采用燃烧室瞬传导机构或节流中冷机构。

4.根据权利要求1燃烧室瞬传导、节流的中冷方法，其特征在于所述的气缸内壁及气缸盖内壁覆盖有绝热层，或是选择直接暴露金属表面。

5.根据权利要求1燃烧室瞬传导、节流的中冷方法，其特征在于所述的的进气门、排气门采用通用的气缸盖上的伞形气门结构或者是在气缸壁的下部位置加工有缸壁进气口配合排气活塞，或是采用在气缸盖上或气缸的上部加工排气气缸(11)及缸壁排气口。

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